JP2006054991A - センサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法 - Google Patents

センサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 センサを使用せずに、回転子の位置推定エラーの発生有無をソフトウェアで感知し、位置推定エラーによるモータ駆動装置の誤動作またはモータが取り付けられた装置の損傷を防止するセンサレスモータ駆動装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】 印加される交流電源１０を直流に整流する整流部２０、整流された電圧を３相の交流電圧に変換するインバータ部４０、インバータ部４０からモータ７０に印加される電流を感知する電流感知部５０、モータ７０に印加される電圧及び電流によりモータ７０の回転速度と回転子の位置を推定し、インバータ部４０に制御信号を出力してモータ７０を制御する制御部６０、及び上記感知した電流値と上記推定した回転子の位置推定角とを用いてモータ７０の位置推定におけるエラー発生有無を感知する位置推定エラー感知部８０を含んでセンサレスモータ駆動装置を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、センサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法に関するもので、詳しくは、前記センサレスモータの回転子の位置推定におけるエラー発生有無をソフトウェア的に感知できる位置推定エラー感知部を含むセンサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法に関するものである。
以下、従来のセンサレスモータ駆動装置の構造を、図１に基づいて説明する。
図１は、従来のセンサレスモータ駆動装置のブロック図である。図１に示すように、従来のセンサレスモータ駆動装置は、印加される交流電源１を直流に整流する整流部２と、複数個のキャパシタからなり、前記直流電源を平滑化して外部に出力するＤＣリンク端３と、前記整流された電圧を受けてこれを３相の交流電圧に変換するインバータ部４と、このインバータ部４からモータ７に印加される電流を感知する電流感知部５と、モータ７に印加される電圧および電流により前記モータの回転速度および回転子の位置を推定し、前記インバータ部４に制御信号を出力してモータを制御する制御部６と、を含んで構成される。
このように構成された従来のセンサレスモータ駆動装置は、コンプレッサーなどのセンサが取り付けられない構造にモータを装着することで、前記モータの回転速度およびモータの回転子の位置などを検出することができる。
また、センサをモータ駆動装置に適用する場合、原価上昇の問題および前記センサの破損による信頼性低下などの問題が発生するが、センサレスモータ駆動装置を適用すると、前記問題が改善される。
以下、従来のセンサレスモータ駆動装置の構成による動作を説明する。
まず、モータを動作するための交流電源１が印加されると、前記整流部２は、交流電源１を整流して直流に変換し、この変換された直流電源を前記ＤＣリンク端３に供給する。
次に、前記ＤＣリンク端３は、整流部２から印加された直流電源を平滑化してこれを外部に出力し、インバータ部４は、前記平滑化された直流電源を受けてこれを３相電源に変換し、モータ７に出力することでモータの駆動を適切に制御する。
次に、電流感知部５は、前記インバータ部３から出力されて前記モータ７に印加される電流の大きさを感知し、制御部６は、前記モータが正常に動作するように、前記ＤＣリンク端３で測定された印加電圧および前記電流感知部５で感知された印加電流の大きさを用いて前記モータ７の回転速度および回転子の位置を推定し、この推定されたモータ７の回転速度および回転子の位置に対応して、モータの動作を制御する制御信号を前記インバータ部４に出力する。
一方、モータのセンサレス制御において安定性の確保が重要であるが、一般に、前記センサレスモータ駆動装置のＤＣリンク端３に過電圧または低電圧が発生するか、モータ７に過電流が印加される場合、モータ７の誤動作または破損をもたらすことにより、前記モータ７が取り付けられたコンプレッサーなどが破損されるので、これを防止するために、センサレスモータ駆動装置は、過電圧感知部、低電圧感知部または過電流感知部(図示せず)を含んで構成される。
かかる安定性を確保するための前記過電圧感知部および低電圧感知部は、ＤＣリンク端３に印加される電圧を受け、この電圧に異常が発生した場合、各エラー信号を制御部６に出力する。かつ、前記過電流感知部は、電流感知部５から電流を受け、この印加された電流が過電流に該当する場合、エラー信号を制御部６に出力する。
次に、このエラー信号を受信した制御部６は、前記モータ７の動作を制御するインバータ部４に出力されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号を停止することで、前記インバータ部４は、モータ７を停止するようになる。
しかしながら、従来のモータの回転速度および回転子位置を推定してセンサレス制御を実現するセンサレスモータ駆動装置において、前記保護手段の他には、センサレス制御に異常が発生した場合に対する感知および対応手段が備わってないため、前記センサレスモータ駆動装置の安定性を確実に確保できなかった。
すなわち、前記モータの回転子の位置推定時にエラーが発生した場合、前記過電圧または低電圧感知部および過電流感知部では、前記位置推定エラーを感知できなかった。
よって、前記位置推定エラーが過度であるにもかかわらず、継続してモータを駆動する場合、センサレス制御が正常に動作しないため、前記モータ駆動装置だけでなく、前記モータが取り付けられたコンプレッサーなどが破損されるという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、センサを使用せずに、回転子の位置推定におけるエラー発生有無をソフトウェア的に低廉に感知することで、位置推定エラーによるモータ駆動装置の誤動作または前記モータが取り付けられたコンプレッサーなどの損傷を防止できるセンサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明のセンサレスモータ駆動装置は、印加される交流電源を直流に整流する整流部と、前記整流された電圧を受けてこれを３相の交流電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部からモータに印加される電流を感知する電流感知部と、モータに印加される電圧および電流により前記モータの回転速度および回転子の位置を推定し、前記インバータ部に制御信号を出力してモータを制御する制御部と、前記電流感知部で感知した電流値および前記制御部で推定した回転子の位置推定角を用いて前記モータの位置推定におけるエラー発生有無を感知する位置推定エラー感知部と、を含んで構成される。
また、前記位置推定エラー感知部は、前記電流感知部で感知した３相電流値(Iu,Iv,Iw)を静止座標系に該当する電流値(iα,iβ)に変換する３相/静止座標系変換部と、前記静止座標系電流値および位置推定角によるデータ(cosθ,sinθ)を回転座標系に該当する電流値(iｄ,iｑ)に変換する静止/回転座標系変換部と、前記静止座標系電流値および回転座標系電流値の所定の式による演算値Ｃを出力する電流演算部と、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較して前記モータの位置推定におけるエラー可否を判断する位置推定エラー判別部と、を含んで構成される。
一方、前記電流演算部には、前記３相/静止座標系変換部から静止座標系に該当する電流値、および前記静止/回転座標系変換部から回転座標系に該当する電流値がそれぞれ入力され、所定の式によって定義される演算値Ｃが位置推定エラー判別部に出力されるように構成され、前記演算式Ｃを出力するための演算式は、次式、
Figure 2006054991
を満足する。
また、前記位置推定エラー判別部は、前記電流演算部から入力された演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較してその差が所定値α以上であるかを判断し、その差が所定値α以上であると判断された場合、エラー信号を前記制御部に出力する。
また、前記制御部は、前記位置推定エラー判別部からエラー信号を受けた場合、前記インバータ部に出力するＰＷＭ信号を遮断して前記モータを停止する。
一方、前記目的を達成するため、本発明のセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法は、モータに印加される３相電流値を検出してこれを静止座標系に該当する電流値であるiαおよびiβに変換する第１段階と、前記静止座標系に該当する電流値および位置推定角によるデータを回転座標系に該当する電流値であるiｄおよびiｑに変換する第２段階と、前記静止座標系に該当する電流値および回転座標系に該当する電流値の所定の式による演算値Ｃを出力する第３段階と、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較してその差が所定値α以上である場合、エラー信号を出力する第４段階と、から構成される。
また、前記第３段階では、前記静止座標系に該当する電流値および回転座標系に該当する電流値を用いて演算した演算値Ｃを出力し、前記演算式は、次式、
Figure 2006054991
に定義される。
一方、前記第４段階では、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとの差が所定値α以上であると判断された場合、モータの動作を制御する制御部にエラー信号を出力し、前記制御部は、エラー信号を受けた場合、ＰＷＭ信号を遮断して前記モータを停止する。
本発明のセンサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法は、センサを使用せずに、前記回転子の位置推定におけるエラー発生有無をソフトウェア的に低廉に感知することで、前記回転子の位置推定エラーによるモータ駆動装置の誤動作または前記モータが取り付けられたコンプレッサーなどの損傷を防止できる。
以下、本発明によるセンサレスモータ駆動装置およびその保護制御方法の実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態を説明するにおいて、同一構成には、同一の名称および符号を使用する。
図２は、本発明によるセンサレスモータ駆動装置のブロック図で、従来のセンサレスモータ駆動装置に後述する位置推定エラー感知部がさらに含まれて構成される。
本発明によるセンサレスモータ駆動装置は、印加された交流電源１０を直流に変換する整流部２０と、複数個のキャパシタからなり、前記整流部２０から受信された直流電源を平滑化するＤＣリンク端３０と、このＤＣリンク端３０から直流電源を受けてモータ７０の駆動を適切に制御するインバータ部４０と、このインバータ部４０から出力されて前記モータ７０に印加される電流の大きさを感知する電流感知部５０と、モータ７０に印加される電圧および電流を用いて前記モータ７０の回転速度および回転子の位置を推定し、この推定されたモータ７０の回転速度および回転子の位置に対応して、前記モータ７０を制御する制御信号を前記インバータ部４０に出力する制御部６０と、を含んで構成される。
また、本発明によるセンサレスモータ駆動装置は、安定性を確保するために、過電圧感知部３１、低電圧感知部３２および過電流感知部５１を含んで構成されており、さらに、前記モータ７０の回転子の位置推定におけるエラー可否を判別する位置推定エラー感知部８０を含んで構成される。
以下、このように構成された本発明のセンサレスモータ駆動装置の動作を、図２に基づいて説明する。
一般に、モータを駆動するための電源は、交流電源１０の形態で印加されるが、この交流電源１０は、整流部２０およびＤＣリンク端３０を経て平滑な直流電源に変換され、この平滑な直流電源は、前記インバータ部４０に印加される。
次に、前記インバータ部４０は、平滑な直流電源を受け、モータ７０を回転させる駆動電源を直接供給するが、一般に、前記インバータ部４０は、直流電源を３相交流電源に変換して前記モータ７０に印加し、前記インバータ部４０から出力される３相交流電源によってモータの回転動作が制御される。
次に、前記インバータ部４０から出力されてモータ７０に印加される３相交流電源の各相の電流をそれぞれIu、IvおよびIwとしたとき、前記３相電流の大きさは、電流感知部５０によってそれぞれ感知され、この感知された電流値に対する信号は、前記制御部６０、過電流感知部５１および位置推定エラー感知部８０にそれぞれ出力される。
また、前記ＤＣリンク端３０に印加された電圧を感知するために、数個の抵抗からなる電圧感知部(図示せず)が前記ＤＣリンク端３０に並列に連結されるが、前記電圧感知部で検出された電圧値は、前記過電圧感知部３１および低電圧感知部３２に送信される。
前記のような過電源感知手段において印加電圧および電流に異常が発生した場合、前記過電流感知部５１は、エラー信号であるI_overを、過電圧感知部３１は、Vdc_overを、低電圧感知部３２は、Vdc_lowをそれぞれ前記制御部６０に送信する。
一方、前記制御部６０は、モータ７０に印加される電圧および電流を用いて前記モータ７０の回転子の位置および速度、特に前記回転子の位置角θを判断し、位置推定エラー感知部８０にcosθおよびsinθの値に該当する信号を伝送する。
また、前記位置推定エラー感知部８０は、前記制御部６０から受信した位置角情報(cosθ,sinθ)および前記モータ７０に印加される３相電流値(Iu,Iv,Iw)を受け、この印加された３相電流およびcosθおよびsinθ値によって前記モータの回転子の位置推定におけるエラー発生有無を判断する。以下、前記位置推定エラー感知部８０の動作を、図３ａ、図３ｂおよび図８に基づいて説明する。
図３ａおよび図３ｂは、モータに印加される電流の波形を示すグラフである。図３ａは、正常のセンサレス制御時の電流波形を示し、図３ｂは、センサレス制御に異常が発生し、回転子の位置推定における過度なエラー発生時の電流波形を示す。
図４は、本発明によるセンサレスモータ駆動装置の位置推定エラー感知部のブロック図である。
図４に示すように、前記位置推定エラー感知部８０は、前記モータ７０に印加される３相電流値(Iu,Iv,Iw)の信号を受信し、これを静止座標系に該当する停止α、β軸電流(iα,iβ)値に変換する３相/静止座標系変換部８１と、この３相/静止座標系変換部８１で変換された静止座標系電流値(iα,iβ)および前記制御部６０から印加されたcosθ、sinθを用いて前記静止座標系における電流(iα,iβ)値を回転座標系における回転ｄ、ｑ軸電流(iｄ,iｑ)に変換する静止/回転座標系変換部８２と、を含んで構成される。
また、前記位置推定エラー感知部８０は、前記静止座標系電流であるiα、iβおよび回転座標系電流であるiｄ、iｑの値の所定の式による演算値Ｃを出力する電流演算部８３を含んで構成され、これら電流演算部８３から出力された演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上である場合、位置推定にエラーが発生したと判別する位置推定エラー判別部８４をさらに含んで構成される。
一方、前記位置推定エラー感知部８０を構成する３相/静止座標系変換部８１、静止/回転座標系変換部８２、電流演算部８３および位置推定エラー判別部８４の細部動作は、図５乃至図８に示すとおりである。
図５は、本発明の静止座標系による電流値を変換するための信号の入出力を示すブロック図であり、図６は、回転座標系による電流値を変換するための信号の入出力を示すブロック図であり、図７は、電流演算部の動作を示すブロック図であり、図８は、本発明の位置推定エラー判別部の動作を示すブロック図である。
図５に示すように、前記３相/静止座標系変換部は、３相電流を受けて、次式、
Figure 2006054991
に定義される静止座標系電流値(iα,iβ)の信号を外部に出力し、図６に示すように、静止/回転座標系変換部は、静止座標系電流値(iα,iβ)および位置角情報(cosθ,sinθ)からiｄ=iα×cosθ+iβ×sinθおよびiｑ=-iα×sinθ+iβ×cosθにより定義される回転座標系電流値(iｄ,iｑ)の信号を外部に出力する。
前記変換式で、iα、iβおよびiｄ、iｑは、次式、
Figure 2006054991
を満足し、このIpeakは、前記３相電流の各相電流のピーク値を示す。
一方、図７に示すように、電流演算部８３は、静止座標系電流値(iα,iβ)および回転座標系電流値(iｄ,iｑ)の信号を受け、次式、
Figure 2006054991
に定義される演算式により演算値Ｃを外部に出力するが、センサレスモータの回転子の位置推定が正常に行われる場合、前記したように、次式、
Figure 2006054991
を満足するので、前記演算値Ｃは０になる。
また、図８に示すように、位置推定エラー判別部８４は、前記電流演算部８３で算出された演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上である場合(Ｃ-Ａ≧α)、所定のエラー信号を前記制御部６０に出力する。
前記回転子の位置感知におけるエラーの発生は、前記回転子の位置角θの値におけるエラーの発生を意味するため、前記回転座標系電流であるiｄ、iｑの値を求める式のiｄ=iα×cosθ+iβ×sinθおよびiｑ=-iα×sinθ+iβ×cosθでθ値が変わることで、iｄ、iｑ値にエラーが発生し、よって、正常に作動する場合は、演算値Ｃが０になるが、前記位置感知にエラーが発生した場合は、演算値Ｃが０にならない。
また、前記位置感知エラーが所定値以上に発生した場合、前記モータの位置感知に異常が発生したと判断するために、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上である場合のみにエラー信号を送信する。
前記したように、前記制御部６０は、前記位置推定エラー感知部８０からエラー信号を受ける場合、前記インバータ部４０にＰＷＭ信号が出力されることを遮断して前記モータを停止することで、モータ駆動装置および前記モータが取り付けられたコンプレッサーなどを保護する。
図９は、本発明によるセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法における位置推定エラーの感知方法を示すフローチャートである。
本発明によるセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法を、図９に基づいて説明すると、まず、前記モータに印加される３相電流値(Iu,Iv,Iw)を感知する段階(Ｓ１)と、前記感知された３相電流値(Iu,Iv,Iw)を静止座標系に該当する電流値であるiαおよびiβに変換する段階(Ｓ２)と、を行う。
次に、前記静止座標系に該当する電流値(iα,iβ)および前記モータの位置推定角θを用いて、回転座標系に該当する電流値であるiｄおよびiｑを算出する段階(Ｓ３)と、前記静止座標系に該当する電流値および回転座標系に該当する電流値の所定の式による演算値Ｃを出力する段階(Ｓ４)と、を行う。
次に、前記各段階によって演算値Ｃが出力されると、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上であるかを判断する段階(Ｓ５)と、その差値が所定値α以上であると判断された場合、エラー信号を出力する段階(Ｓ６)と、を行って位置推定におけるエラー発生有無を判断し、前記モータの制御動作を終了する。
一方、本発明のセンサレスモータ駆動装置の動作で述べたように、３相電流値を静止座標系に該当する電流値に変換する変換式は、次式、
Figure 2006054991
に定義され、前記静止座標系に該当する電流値を回転座標系に該当する電流値に変換する変換式は、iｄ=iα×cocθ+iβ×sinθ、iｑ=-iα×sinθ+iβ×cosθに定義される。
また、前記静止座標系電流値および回転座標系電流値を演算して演算値Ｃを出力するにおいて、前記演算値Ｃは、次式、
Figure 2006054991
に定義される。
次に、前記演算値Ｃが既存の設定値Ａより所定値α以上であるかを判断し、所定値α以下である場合は、再び前記モータに印加される３相電流値を感知して位置推定におけるエラー発生可否を感知し、かつ、所定値α以上である場合は、モータの動作を制御する制御部にエラー信号を出力し、前記制御部は、エラー信号を受けると、ＰＷＭ信号の出力を遮断して前記モータを停止する。
従来のセンサレスモータ駆動装置のブロック図である。 本発明によるセンサレスモータ駆動装置のブロック図である。 モータに印加される電流の波形を示すグラフである。 本発明によるセンサレスモータ駆動装置における回転子の位置推定エラー感知部のブロック図である。 本発明において、静止座標系による電流値を変換するための信号の入出力を示すブロック図である。 本発明において、回転座標系による電流値を変換するための信号の入出力を示すブロック図である。 本発明のセンサレスモータ駆動装置における電流演算部の動作を示すブロック図である。 本発明のセンサレスモータ駆動装置における位置推定エラー判別部の動作を示すブロック図である。 本発明によるセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法における位置推定エラーの感知方法を示すフローチャートである。
符号の説明
２０ 整流部
３０ ＤＣリンク端
４０ インバータ部
５０ 電流感知部
６０ 制御部
８０ 位置推定エラー感知部
８１ ３相/静止座標系変換部
８２ 静止/回転座標系変換部
８３ 電流演算部
８４ 位置推定エラー判別部

Claims (11)

  1. 印加される交流電源を直流に整流する整流部と、前記整流された電圧を受けてこれを３相の交流電圧に変換するインバータ部と、前記インバータ部からモータに印加される電流を感知する電流感知部と、モータに印加される電圧および電流により前記モータの回転速度および回転子の位置を推定し、前記インバータ部に制御信号を出力してモータを制御する制御部と、前記電流感知部で感知した電流値および前記制御部で推定した回転子の位置推定角を用いて前記モータの位置推定におけるエラー発生有無を感知する位置推定エラー感知部と、
    を含んで構成されることを特徴とするセンサレスモータ駆動装置。
  2. 前記位置推定エラー感知部は、前記電流感知部で感知した３相電流値(Iu,Iv,Iw)を静止座標系に該当する電流値(iα,iβ)に変換する３相/静止座標系変換部と、前記静止座標系電流値および位置推定角によるデータ(cosθ,sinθ)を回転座標系に該当する電流値(iｄ,iｑ)に変換する静止/回転座標系変換部と、前記静止座標系電流値および回転座標系電流値の所定の式による演算値Ｃを出力する電流演算部と、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較して前記モータの位置推定におけるエラー可否を判断する位置推定エラー判別部と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  3. 前記電流演算部には、前記３相/静止座標系変換部から静止座標系に該当する電流値、および前記静止/回転座標系変換部から回転座標系に該当する電流値がそれぞれ入力されることを特徴とする請求項２に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  4. 前記電流演算部は、次の演算式、
    Figure 2006054991
     を満足する演算値Ｃを出力することを特徴とする請求項２に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  5. 前記位置推定エラー判別部は、前記電流演算部から入力された演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上であるかを判断することを特徴とする請求項２に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  6. 前記位置推定エラー判別部は、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとの差が所定値α以上であると判断された場合、エラー信号を前記制御部に出力することを特徴とする請求項５に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  7. 前記制御部は、前記位置推定エラー判別部からエラー信号を受けた場合、前記インバータ部に出力するＰＷＭ信号を遮断して前記モータを停止することを特徴とする請求項６に記載のセンサレスモータ駆動装置。
  8. モータに印加される３相電流値を検出してこれを静止座標系に該当する電流値であるiαおよびiβに変換する第１段階と、
    前記静止座標系に該当する電流値および位置推定角によるデータを回転座標系に該当する電流値であるiｄおよびiｑに変換する第２段階と、
    前記静止座標系に該当する電流値および回転座標系に該当する電流値の所定の式による演算値Ｃを出力する第３段階と、
    前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとを比較し、その差が所定値α以上である場合、エラー信号を出力する第４段階と、から構成されることを特徴とするセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法。
  9. 前記第３段階は、演算値Ｃを出力するにおいて、次の演算式、
    Figure 2006054991
     を満足する演算値Ｃを出力することを特徴とする請求項８に記載のセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法。
  10. 前記第４段階は、前記演算値Ｃと既存の設定値Ａとの差が所定値α以上であると判断された場合、モータの動作を制御する制御部にエラー信号を出力することを特徴とする請求項８に記載のセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法。
  11. 前記第４段階は、前記出力されたエラー信号を受けた制御部がＰＷＭ信号の出力を遮断して前記モータを停止する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のセンサレスモータ駆動装置の保護制御方法。
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